(57)【要約】【課題】  大規模な領域の粒子挙動計算を短時間で実現する。【解決手段】  粉体挙動計算において、粉体挙動が類似する領域は多く存在するので、一部の領域のみを計算し、その結果を他の類似領域に展開する。電界計算を基に類似する電場毎に領域分割し、類似領域を幾つかのパターンに分類し、高精度の計算を短時間で行なう。電子写真による画像は、画素を構成するドット・パターンの集合で構成されるため、あらかじめドット・パターンを計算し、その結果を終結して最終画像を構成させる。ドット・パターンの組み合わせで表現困難な画像ディフェクトは、発生しそうな部位に着目して領域分割を行なう。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の領域内で運動する多数の粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置であって、
粒子が運動する領域を複数のセルに分割する領域分割手段と、
特定のセル内について粒子挙動計算を行なうセル内粒子挙動計算手段と、
前記セル内粒子挙動計算手段により得られた特定のセル内における粒子情報を他のセルに伝達し、より広い領域の解析結果を近似する領域解析結果近似手段と、
を具備することを特徴とする粒子挙動解析装置。
【請求項２】
前記領域分割手段は、デローニ法又はバブル・メッシュ法からなる分割方法を適用して、粒子が運動する領域を複数のセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項３】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、
前記領域分割手段は、現像粒子が存在する領域を複数のセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項４】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、前記領域分割手段は、現像スリーブ上のキャリア及びトナー、感光体表面上の潜像、又は感光体表面若しくは転写体上のトナー像を複数のセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項５】
前記領域分割手段は、他と比較して粒子挙動の変化が大きくなる部分では、より細かいセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項６】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、
前記領域分割手段は、潜像や粒子像のエッジ部分、像の線と線が交差する部分、粒子濃度が大きく変化する部分、又はプロセス方向において、より細かいセルに分割する、
ことを特徴とする請求項５に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項７】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、
前記領域分割手段は、画像データに基づいて分割サイズ又は分割方法を変える、ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項８】
前記領域分割手段は、領域分割を逐次更新する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項９】
前記粒子解析結果近似手段は、セル内の粒子挙動計算で得られた粒子情報をまわりのセルに伝達する際に、セル間をオーバーラップさせる、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項１０】
前記領域分割手段により得られた複数のセルを、粒子挙動が類似する類似領域毎にグループ化する類似領域グループ化手段をさらに備え、
前記セル内粒子挙動計算手段は、類似領域毎に、特定のセル内について粒子挙動計算を行ない、
前記領域解析結果近似手段は、前記セル内粒子挙動計算手段により得られた特定のセル内における粒子情報を同じ類似領域内の他のセルに伝達し、類似領域毎の解析結果を近似して、解析対象領域全体の解析結果に代用する、
ことを特徴とする請求項１に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項１１】
電子写真プロセスにおけるトナーの攪拌又は感光体ドラム上の静電潜像への現像プロセス、又は転写プロセスに適用され、
前記類似領域グループ化手段は、電場、磁場、流れ場、又は粒子に作用するその他の作用力が類似する領域毎にグループ化する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項１２】
電子写真プロセスにおける感光体ドラム上の静電潜像への現像プロセス又はトナー像の転写プロセスに適用され、
前記類似領域グループ化手段は、画素を構成する基本構成要素毎にグループ化する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項１３】
電子写真プロセスにおける感光体ドラム上の静電潜像への現像プロセス又はトナー像の転写プロセスに適用され、
前記類似領域グループ化手段は、同じ画像ディフェクトを発生する部位に着目してグループ化する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項１４】
前記領域分割手段は、画像ディフェクトを発生する部位において、プロセス方向に大きくとったセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の粒子挙動解析装置。
【請求項１５】
所定の領域内で運動する多数の粒子の挙動を解析する粒子挙動解析方法であって、
粒子が運動する領域を複数のセルに分割する領域分割ステップと、
特定のセル内について粒子挙動計算を行なうセル内粒子挙動計算ステップと、
前記セル内粒子挙動計算手段により得られた特定のセル内における粒子情報を他のセルに伝達し、より広い領域の解析結果を近似する領域解析結果近似ステップと、
を具備することを特徴とする粒子挙動解析方法。
【請求項１６】
前記領域分割ステップでは、デローニ法又はバブル・メッシュ法からなる分割方法を適用して、粒子が運動する領域を複数のセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項１７】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、
前記領域分割ステップでは、現像粒子が存在する領域を複数のセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項１８】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、前記領域分割ステップでは、現像スリーブ上のキャリア及びトナー、感光体表面上の潜像、又は感光体表面若しくは転写体上のトナー像を複数のセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項１９】
前記領域分割ステップでは、他と比較して粒子挙動の変化が大きくなる部分では、より細かいセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２０】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、
前記領域分割ステップでは、潜像や粒子像のエッジ部分、像の線と線が交差する部分、粒子濃度が大きく変化する部分、又はプロセス方向において、より細かいセルに分割する、
ことを特徴とする請求項１９に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２１】
感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスに適用され、
前記領域分割ステップでは、画像データに基づいて分割サイズ又は分割方法を変える、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２２】
前記領域分割ステップでは、領域分割を逐次更新する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２３】
前記粒子解析結果近似ステップでは、セル内の粒子挙動計算で得られた粒子情報をまわりのセルに伝達する際に、セル間をオーバーラップさせる、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２４】
前記領域分割ステップにより得られた複数のセルを、粒子挙動が類似する類似領域毎にグループ化する類似領域グループ化ステップをさらに備え、
前記セル内粒子挙動計算ステップでは、類似領域毎に、特定のセル内について粒子挙動計算を行ない、
前記領域解析結果近似ステップでは、前記セル内粒子挙動計算ステップにおいて得られた特定のセル内における粒子情報を同じ類似領域内の他のセルに伝達し、類似領域毎の解析結果を近似して、解析対象領域全体の解析結果に代用する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２５】
電子写真プロセスにおけるトナーの攪拌又は感光体ドラム上の静電潜像への現像プロセス、又は転写プロセスに適用され、
前記類似領域グループ化ステップでは、電場、磁場、流れ場、又は粒子に作用するその他の作用力が類似する領域毎にグループ化する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２６】
電子写真プロセスにおける感光体ドラム上の静電潜像への現像プロセス又はトナー像の転写プロセスに適用され、
前記類似領域グループ化ステップでは、画素を構成する基本構成要素毎にグループ化する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２７】
電子写真プロセスにおける感光体ドラム上の静電潜像への現像プロセス又はトナー像の転写プロセスに適用され、
前記類似領域グループ化ステップでは、同じ画像ディフェクトを発生する部位に着目してグループ化する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２８】
前記領域分割ステップでは、画像ディフェクトを発生する部位において、プロセス方向に大きくとったセルに分割する、
ことを特徴とする請求項２７に記載の粒子挙動解析方法。
【請求項２９】
所定の領域内で運動する多数の粒子の挙動を解析するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・システムに対し、
粒子が運動する領域を複数のセルに分割する領域分割手順と、
特定のセル内について粒子挙動計算を行なうセル内粒子挙動計算手順と、
前記セル内粒子挙動計算手段により得られた特定のセル内における粒子情報を他のセルに伝達し、より広い領域の解析結果を近似する領域解析結果近似手順と、
を実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の空間内で運動する多数の粉体の挙動をシミュレーションにより解析する粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスにおける現像剤としてのトナーやキャリア粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、電子写真プロセスにおけるトナーやキャリア粒子の挙動を個別要素法に基づいてより現実に近い解析並びに評価を行なう粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに係り、特に、電子写真プロセスにおいて大規模な領域の粒子挙動粒子解析を短時間で計算する粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００３】
粉体や粒体などの粒子を取り扱う分野では、粒子の挙動を把握することか重要な課題である。従来は、このような粒子の挙動を試行錯誤の実験により把握することが多かった。このような場合、現実に用いる粒子の組成、実機に近い実験装置や実験環境を用意しなければ、粒子の挙動解析を行なうことはできない。また、これらの仕様を変更する度に改めて実験しなければならず、時間やコストの面で問題があった。
【０００４】
そこで、最近では、粉体や粒体などの粒子の挙動を数式化若しくはモデル化し、ほぼ同じ法則に支配されるシステムの挙動をコンピュータ上で模擬すること、すなわちシミュレーションが広く利用されている。シミュレーション技術を利用することにより、粒子の挙動を現実に体験する前に予測することができる。また、投入する条件やパラメータを変えて、同じシミュレーション計算を繰り返し行なうことにより、さまざまな粒子組成や装置設計・制御体系の性能を評価することができる。シミュレーションによれば、実験を行なう場合に比較して、より最適な解を低コストで得ることができる。さらに、シミュレーションにより得られたパラメータに基づいてシステムを制御し、システムのエラーを回避することができる。
【０００５】
粉体を取り扱う装置の代表例として、電子写真技術を利用した複写機やプリンタなどの画像形成装置を挙げることができる。この場合、画像構成剤としてのトナー及びトナーを搬送するための磁性体からなるキャリアという２成分（又はトナーの１成分のみ）からなる現像剤を粉体挙動解析の対象として取り扱う。電子写真プロセスは、電子写真感光体に対する帯電、スキャンした原稿イメージの露光による静電潜像への形成、トナーの攪拌並びに現像すなわち感光体上の静電潜像へのトナー重畳、静電潜像から転写体へのトナー転写及びトナー定着、感光体表面のクリーニングという複数の工程からなる。このような電子写真プロセスでは、例えば現像、転写などの各プロセスにおいて粉体挙動解析シミュレーションを適用することで、現実に画像形成実験を行なうことなく、形成される画像を予測してプロセスの評価を行なうことができる。
【０００６】
粉体挙動解析の主な手法として、粉体毎の挙動を解析する個別要素法（例えば、非特許文献１を参照のこと）と、複数の粉体を等価な物性値を持つ流体モデルに置き換えて解析する方法などが挙げられる。
【０００７】
前者の個別要素法によれば、すべての粒子に作用するさまざまな力（例えば、弾性力や粘性力などの接触による作用力、ファンデルワース力や鏡像力、液架橋力などの外力）を基に運動方程式を立てて、粒子毎の挙動を解析するので、より現実に近い評価を行なうことができる。
【０００８】
例えば、電子写真の現像器における穂切りの最適化、トナー飛散対策、クリーニングといった課題を解決するために、磁場や電場における粒子に加わる力を計算して現像剤の挙動をシミュレートする粒子挙動解析装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照のこと）。同装置では、初回の演算時には、粒子以外に起因する磁場に基づいて各粒子の双極子モーメントが求められ、以降の演算時には、前回の処理時に求められた他の粒子に起因する磁場と、粒子以外に起因する磁場とに基づいて各粒子の双極子モーメントが求められる。
【０００９】
また、第１の粒子の挙動を解析するとともに、第１の粒子とは径の異なる第２の粒子について第１の粒子との相互作用を含めた粒子挙動を解析して、感光体ドラムへのトナーの吸着挙動を容易に解析する粒子挙動解析装置について提案がなされている（例えば、特許文献２を参照のこと）。
【００１０】
このように個別要素法によれば、無数の粒子からなる粉体の挙動をより現実に近い形で評価することができる。その反面、個別要素法では取り扱う粒子数が膨大になると計算量が増大するため、すべての粒子の計算を現実的な時間で行なうのは困難であるという問題がある。
【００１１】
粒子の挙動解析は、電磁場解析などと比較すると多くの計算時間を必要とし、実用的には数万個の粒子の挙動を計算するのが限界である。すなわち、電子写真プロセスにおけるトナーやキャリアといった数ミクロン程度の微小粒子を計算する場合、数百ミクロン程度の画像予測を行なうことができず、十分な評価を行なうことにならない。
【００１２】
【特許文献１】特開平７−１４００５９号公報
【特許文献２】特開２００１−１４１６３８号公報
【非特許文献１】粉体工学会「粉体シミュレーション入門―コンピュータで粉体技術を創造する―」（産業図書株式会社、１９９８年３月３０日）、第３章「粒子要素法シミュレーション」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスにおける現像剤としてのトナーやキャリア粒子の挙動を好適に解析することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、電子写真プロセスにおけるトナーやキャリア粒子の挙動を個別要素法に基づいてより現実に近い解析並びに評価を行なうことができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【００１５】
本発明のさらなる目的は、電子写真プロセスにおいて大規模な領域の粒子挙動粒子解析を短時間で計算することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、所定の領域内で運動する多数の粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置であって、粒子が運動する領域を複数のセルに分割する領域分割手段と、特定のセル内について粒子挙動計算を行なうセル内粒子挙動計算手段と、前記セル内粒子挙動計算手段により得られた特定のセル内における粒子情報を他のセルに伝達し、より広い領域の解析結果を近似する領域解析結果近似手段とを具備することを特徴とする粒子挙動解析装置である。
【００１７】
本発明は、感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスにおける現像剤としてのトナー粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置に関するが、より具体的には、粒子の挙動を個別要素法に基づいて解析計算を行なう。
【００１８】
個別要素法によれば、すべての粒子に作用するさまざまな力を基に運動方程式を立てて粒子毎の挙動を解析するので、より現実に近い評価を行なうことができる。しかしながら、取り扱う粒子数が膨大になると計算量が増大するため、すべての粒子の計算を現実的な時間で行なうのは困難であるという問題がある。実用的には数万個の粒子の挙動を計算するのが限界であるから、トナーやキャリアといった数ミクロン程度の微小粒子を計算する場合には、数百ミクロン程度の画像予測を行なうことができず、十分な評価を行なうことにならない。
【００１９】
これに対し、本発明に係る粒子挙動解析装置では、解析対象とするすべての領域に対して粒子挙動を計算する代わりに、全領域を粒子挙動が類似する類似領域毎にグループ化して、各々の類似領域では一部の領域のみについて粒子挙動計算を行ない、その結果を類似領域全体に展開すなわちマッピングする。これによって、従来は実用的に困難であった大規模な領域の粒子挙動解析を短時間で計算することができる。
【００２０】
すなわち、本発明に係る粒子挙動解析装置では、現像プロセスにおける潜像や、転写プロセスにおける現像粒子が存在する領域など、粒子が運動する領域をメッシュ状に分割して、解析対象とする領域を微細な複数のセルに分ける。次いで、特定のセル内においてのみ、粒子挙動計算を行なう。そして、一部のセル内の粒子挙動計算で得られた粒子情報を、まわりのセルに伝達して、広い領域の解析結果を近似することができる。これによって、大規模な粒子挙動を、短時間で精度よく解析することが可能となる。
【００２１】
ここで、前記領域分割手段は、デローニ法や、バブル・メッシュ法などの分割方法を適用して、粒子が運動する領域を複数のセルに分割することができる。
【００２２】
このとき、解析対象領域内において粒子挙動の変化の度合いは一様ではない。そこで、他と比較して粒子挙動の変化が大きくなる部分では分割するメッシュ・サイズを細かくして、計算の対象領域を増やすことによって、解析計算の精度を上げるようにしてもよい。例えば、潜像や粒子像のエッジ部分や、像の線と線が交差する部分、粒子濃度が大きく変化する部分、プロセス方向などにおいてメッシュ・サイズを細かくする。勿論、画像データに基づいて分割サイズや分割方法を変えたり、領域分割を逐次更新したりするようにしてもよい。
【００２３】
また、セル内の粒子挙動計算で得られた粒子情報をまわりのセルに伝達する際に、セル間をオーバーラップさせることによって、エッジ近傍で発生する粒子情報の誤差を低下させることができる。
【００２４】
また、電子写真プロセスのような大規模な粒子挙動の計算においては、粒子挙動が類似する領域が多く存在する。例えば、トナーとキャリアを攪拌・移送するプロセスや帯電したトナーを感光体ドラム表面に形成した静電潜像に付着させる現像プロセスなど、電場や磁場などの場、すなわち粒子に加わる作用力がほぼ同じで粒子挙動が類似する領域が多く存在する。
【００２５】
本発明に係る粒子挙動解析装置は、このような点に着目して、粒子挙動が類似する類似領域毎に仕分けすなわちグループ化し、類似領域毎に粒子挙動解析を行なうセルを決めて解析計算を実行し、得られた粒子情報を同じ類似領域グループ内で伝達して、当該類似領域全体の解析結果として代用するようにした。これによって、より現実に近い粒子挙動解析を、領域全体について解析計算する場合よりも少ない計算量で実現することができる。
【００２６】
例えば、電界計算結果などを用いて、電場や磁場、流れ場などの粒子に作用する作用力が類似する領域毎にグループ化することができる。類似領域内では、特定のセルについてのみ以降の粒子挙動計算を行なわないので、計算量を著しく削減することができる。
【００２７】
あるいは、電子写真により形成される画像は基本的に画素を構成するドット・パターンの集合で構成されることを利用して、潜像や、転写プロセスにおける現像粒子が存在する領域などにおいて、同じドット・パターン同士を類似領域としてグループ化することができる。潜像や、転写プロセスにおける現像粒子が存在する領域などにおいて、同じドット・パターン同士を類似領域としてグループ化することができる。類似領域内では、特定のセルについてのみ以降の粒子挙動計算を行なわないので、計算量を著しく削減することができる。
【００２８】
また、画像ディフェクトが発生する部位では、上述したようなドット・パターンの組み合わせだけでは、最終画像の特性を十分に表現することができないので、同じ画像ディフェクトを発生する部位を類似領域としてグループ化するようにしてもよい。類似領域内では、特定のセル以外は以降の粒子挙動計算を行なわないので、計算量を著しく削減することができる。また、画像ディフェクトを発生する部位において、プロセス方向に大きくとったセルに分割するようにしてもよい。
【００２９】
また、本発明の第２の側面は、所定の領域内で運動する多数の粒子の挙動を解析するための処理をコンピュータ・システム上で実行するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムであって、前記コンピュータ・システムに対し、粒子が運動する領域を複数のセルに分割する領域分割手順と、特定のセル内について粒子挙動計算を行なうセル内粒子挙動計算手順と、前記セル内粒子挙動計算手段により得られた特定のセル内における粒子情報を他のセルに伝達し、より広い領域の解析結果を近似する領域解析結果近似手順とを実行させることを特徴とするコンピュータ・プログラムである。
【００３０】
本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・システム上で所定の処理を実現するようにコンピュータ可読形式で記述されたコンピュータ・プログラムを定義したものである。換言すれば、本発明の第２の側面に係るコンピュータ・プログラムをコンピュータ・システムにインストールすることによって、コンピュータ・システム上では協働的作用が発揮され、本発明の第１の側面に係る粒子挙動解析装置と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスにおける現像剤としてのトナーやキャリア粒子の挙動を好適に解析することができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、電子写真プロセスにおけるトナーやキャリア粒子の挙動を個別要素法に基づいてより現実に近い解析並びに評価を行なうことができる、優れた粒子挙動解析装置及び粒子挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラムを提供することができる。
【００３３】
従来の粒子挙動解析方法では、実用的には数万個の粒子の挙動を計算するのが限界であり、電子写真プロセスにおけるトナーやキャリアといった数ミクロン程度の微小粒子を計算する場合、数百ミクロン程度の画像予測しか行なうことができず、十分な評価を行なうことにならない。これに対し、本発明によれば、大規模な粒子挙動場には粒子が類似する振る舞いをする領域があることに着目し、解析領域を幾つかの類似領域に分類し、各々の類似領域において一部の領域についてのみ解析計算を実施し、その結果得られる粒子情報を類似領域内で伝達して全領域の計算結果として代用する。これによって、大規模な粒子挙動を短時間で精度よく解析することが可能となる。
【００３４】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００３６】
本発明は、感光体ドラムの露光による静電潜像の形成、トナーの攪拌及び静電潜像へのトナーの現像、トナー像の転写などの各プロセスを含む電子写真プロセスにおける現像剤としてのトナー粒子の挙動を解析する粒子挙動解析装置に関するが、より具体的には、粒子の挙動を個別要素法に基づいて解析計算を行なう。
【００３７】
まず、電子写真プロセスについて説明する。図６には、電子写真プロセスの機能的構成を模式的に示している。
【００３８】
感光体の表面を帯電器によって一様な表面電位に帯電させた後、原稿をスキャンして得た画像データに従って感光体表面にレーザ・ビームをスキャンすることによって露光して所望の潜像電位からなる静電潜像を形成する。続いて、攪拌器においてトナー集中度を整えながら、現像器はトナーを静電潜像に重畳してトナー像を形成し、転写器は外部から搬送されてきた印刷用紙上にトナー像を転写する。そして、定着器により加熱溶融・圧着作用によりトナー像を印刷用紙上に定着してから、画像形成装置の外に排紙する。転写後の感光体表面は、残留トナーをクリーナによって除去する。清掃後の感光面には残留電位が残っているが、初期電位を印加してから次の電子写真プロセスに利用される。
【００３９】
図７には、現像プロセスを中心に装置構成を図解している。
【００４０】
感光体１３の回りには、回転方向ｂに沿って順に中間転写ベルト１４、ブラシローラ３４、帯電ローラ３６、現像ユニットが設けられている。中間転写ベルト１４、ブラシローラ３４、帯電ローラ３６はいずれも感光体１３の感光面に当接している。また、帯電ローラ３６と現像ユニットとの間には、感光面をライン露光するＬＥＤアレイヘッド４０が配置されている。
【００４１】
現像ユニットは、感光体１３に相対するように配設された現像ローラ３８と、現像ローラ３８の下方に位置し、現像ローラ３８に２成分系現像剤を供給するスクリュー・フィーダ３９Ａ及び３９Ｂと、現像ローラ３８とスクリュー・フィーダ３９Ａ及び３９Ｂとを収容する筐体３７とを備える。２成分系現像剤は、トナーと磁性キャリア粒子とを主用成分として含有している。筐体３７の感光体１３に相対する部分には開口部３７Ａが設けられている。
【００４２】
現像ローラ３８は、感光体１３の感光面との間に間隙即ち現像ギャップが形成されるように配設されている。現像ローラ３８は、円柱状のマグネット・ロール３８Ｂと、マグネット・ロール３８Ｂに被せられたスリーブ３８Ａとを有する。マグネット・ロール３８Ｂは、円柱状であって画像形成装置本体に対して固定され、スリーブ３８Ａは、マグネット・ロール３８Ｂの軸線の回りを、感光体１３の回転方向ｂと同じく紙面反時計回り方向、すなわち感光体１３との対向部において感光体１３に相対するアゲインスト方向に回転している。これにより、現像ローラ３８から感光体１３へのトナーの転移効率が高められている。
【００４３】
マグネット・ロール３８Ｂは、フェライトや希土類磁石合金などの磁性材料の粉末を円柱状又は円筒状に成形したマグローラであり、Ｎ極とＳ極とが所定のパターンで配設されるように着磁しつつ燒結することにより形成される。その着磁パターンとして、感光体１３に相対する部分が現像極Ｓ１であり、スリーブ３８Ａの回転方向に沿って現像極Ｓ１の隣にピックオフ極Ｎ１が位置し、その隣にピックアップ極Ｎ２、トリミング極Ｓ２、搬送極Ｎ３の順で磁極が配置されるパターンなどが挙げられる。なお、現像極Ｓ１とトリミング極Ｓ２はいずれもＳ極であり、ピックオフ極Ｎ１、ピックアップ極Ｎ２、搬送極Ｎ３はいずれもＮ極である。
【００４４】
現像極Ｓ１における現像ニップに対応する部分は、法線方向磁束密度Ｂｒの変化が±５［ｍＴ］になるように着磁されている。ここで、搬送極Ｎ３とトリミング極Ｓ２との境界部を０度とし、時計回りの方向を正の角度とすると、２４０〜２７０度の部分に現像ニップが位置し、前記現像ニップ部を包含するように現像極Ｓ１が形成されている。そして、マグネット・ロール３８Ｂにおける角度２４０〜２７０度の部分においては法線方向磁束密度Ｂｒの変化が±５［ｍＴ］である。これは、マグネット・ロール３８Ｂにおける現像ニップの部分における法線方向磁束密度Ｂｒの変化が±５［ｍＴ］になるように着磁されていることを示す。マグネット・ロール３８Ｂは、さらに法線方向磁気拘束力Ｆｒの極小値が現像ニップに位置するように着磁されている。
【００４５】
トリミング極Ｓ２の対向部には、トリミング極Ｓ２と協働して磁気ブラシの高さを揃えるトリミングブレード４１が現像ローラ３８に向かって延びている。現像ローラ３８には、マイナスの現像バイアス電圧が印加されている。
【００４６】
現像モードにおいて、感光体１３は一定速度で反時計回りに回転するので、その感光面は帯電ローラ３６によってマイナスに帯電される。次いで、感光面の帯電面がＬＥＤアレイヘッド４０によって露光されることにより、帯電面の露光部分の電位が低下して静電潜像が形成される。そして、現像ユニットにおいて、現像ローラ３８によって、感光体１３と同様にマイナス電圧に帯電されたトナーが感光面に形成された静電潜像すなわち帯電面の電位低下部に電気的に付着されて現像され、トナー画像が形成される。感光面上に付着したトナーは、トナーと逆極性のプラスの転写電圧が印加された転写ローラ３２によって中間転写ベルト１４に向かって電気的に引き寄せられる。これによって、感光面１３Ａ上のトナー像が、感光体１３から中間転写ベルト１４へと転写される。
【００４７】
転写する度にトナーが消費されるが、オーガ内では新たなトナーが供給され、キャリアと混合攪拌され、適正なトナー集中度を保ちながら、摩擦帯電により両者を静電吸着させる（図８を参照のこと）。
【００４８】
スリーブ３８Ａが回転すると、スクリュー・フィーダ３９Ａ、３９Ｂで筐体３７内部に供給された現像剤は、ピックアップ極Ｎ２によってスリーブ３８Ａの表面に吸着される。ここで、スリーブ３８Ａの表面には、搬送極Ｎ３から現像極Ｓ１に向かう磁界、ピックオフ極Ｎ１から現像極Ｓ１に向かう磁界、ピックアップ極Ｎ２からトリミング極Ｓ２に向かう方向の磁界、及び搬送極Ｎ３からトリミング極Ｓ２に向かう磁界が形成され、しかも現像剤は、磁性キャリア粒子の表面にトナーが付着した構造を有している。したがって、図９に示すように、スリーブ３８Ａの表面に吸着された現像剤は、スリーブ３８Ａの表面において磁力線の方向に配列され、穂立ちして磁気ブラシを形成する。
【００４９】
ピックアップ極Ｎ２の近傍においてスリーブ３８Ａの表面に形成された磁気ブラシは、図９中において矢印で示すように、スリーブ３８Ａが回転するのに伴い、トリミング極Ｓ２→搬送極Ｎ３→現像極Ｓ１→ピックオフ極Ｎ１へと紙面右から左に向かって搬送される。そして、トリミング極Ｓ２を通過するときに磁気ブラシの高さが整えられ、現像極Ｓ１近傍で磁気ブラシ上のトナーが感光体１３に転移して、スリーブ３８Ａの表面にはほとんど磁性キャリアだけになった磁気ブラシが残る。ほとんど磁性キャリアだけになった磁気ブラシは、スリーブ３８Ａの回転に伴い、ピックオフ極Ｎ１でスリーブ３８Ａの表面から脱落して筐体３７内に戻る。
【００５０】
現像モードでは、このようにスリーブ３８Ａが回転することにより、ピックアップ極Ｎ２では常に新鮮な現像剤が補充されて現像極Ｓ１に搬送され、現像極Ｓ１にてトナーが感光体１３に転移して感光面１３Ａの潜像が現像される。
【００５１】
このような電子写真技術では、例えば攪拌、現像、転写などの各プロセスにおいて粉体挙動解析シミュレーションを適用することで、現実に画像形成実験を行なうことなく、形成される画像を予測し評価することができる。このとき、粒子毎の挙動を解析する個別要素法を用いれば、より現実に近い評価を行なうことができる。
【００５２】
図１には、電子写真プロセスにおけるトナー粒子の挙動を個別要素法により解析計算する粒子挙動解析装置の機能的構成を示している。図示の粒子挙動解析装置１００は、入力部１０１と、データ処理部１０２と、出力部１０３で構成される。
【００５３】
入力部１０１は、キーボードやマウスなどのユーザ入力装置で構成され、シミュレーション解析の操作を行なうオペレータは、ＧＵＩ画面などを介して、現像装置や現像剤、物性値などの各種解析パラメータを入力することができる。
【００５４】
データ処理部１０２は、入力されたパラメータ値を用いて粒子挙動解析処理を行なう機能モジュールであり、入力データ処理部１０４と、数値演算部１０５と、演算結果処理部１０６を備えている。
【００５５】
入力データ処理部１０４は、入力部１０１から入力された解析パラメータを記憶するとともに、数値演算部１０５にパラメータを投入する。入力データ処理部１０４は、解析パラメータをデータ・ファイルの形式で管理する。例えば、数値演算部１０５によるシミュレーション計算の履歴を管理するためのデータ・フォーマットからなる「ＪＯＢコード」中の該当フィールドに各パラメータ値を記入する。
【００５６】
数値演算部１０５は、シミュレーション計算のエンジン部分に相当し、攪拌及び現像プロセスや転写プロセスなど、解析対象となるプロセスを表現する解析モデルを保持している。そして、入力データ処理部１０４から渡されたるＪＯＢコードからパラメータ値を取り出して、シミュレーション・モデルに適用して粒子挙動解析を行なう。例えば、トナー帯電量、感光体と現像ローラ間の空隙、現像ローラと感光体の回転速度といった解析条件を逐次変化させながら、同様の数値計算を繰り返し実行し、感光体の潜像電位を変化させたときの現像トナー量などを算出する。
【００５７】
数値演算部１０５は、例えば、パーソナル・コンピュータなどの一般的な計算機システムで構成することができる。あるいは、ネットワーク接続される複数の計算機システムが協働的に動作するグリッド・コンピュータ、並列化されたクラスタＰＣなどを適用して、数値計算部を構成することができる。
【００５８】
演算結果処理部１０６は、数値演算部１０５から出力される挙動解析結果を表示・印刷など外部出力に適応した形式に変換するなどのデータ出力処理を行なうとともに、パラメータ値を逐次切り替えて実行されたシミュレーション結果を統合してデータベース管理を行なう。例えば、入力データ処理部１０４によって作成されたＪＯＢコード中の該当フィールドにシミュレーション結果やシミュレーション結果に対するオペレータのコメントの書き込みを行ない、データベースにアーカイブする。
【００５９】
出力部１０３は、演算結果処理部１０６により所定の処理が施されたシミュレーション結果を、画面表示、プリントアウトなど外部出力する処理を行なう。出力部１０３は、例えば、計算値をテーブル上に配列するなどの文字情報を表示する、あるいは物理量を画素の濃淡や色情報に置き換えて２次元平面又は３次元空間上にマッピングする。シミュレーションで得られる解析結果は熱、応力、密度、電磁界などさまざまな物理量が多次元的に組み合わされていることが多い。このような場合、それらの解析結果を同時に提示することにより、ユーザは現象の理解を容易にすることができる。
【００６０】
本実施形態では、数値計算部１０５は、攪拌及び現像プロセスや転写プロセスなどにおける粒子の挙動を個別要素法に基づいて解析計算を行なうようになっている。図２には、個別要素法に基づくシミュレーション計算の処理手順をフローチャートの形式で示している。
【００６１】
まず、所定の変数にデフォルト値を設定するなど初期化処理を行なう（ステップＳ１）。
【００６２】
次いで、粒子間の接触判定を行ない、接触している粒子間で接触力の算出を行なう（ステップＳ２）。
【００６３】
次いで、粒子に働く作用力の算出を行なう（ステップＳ３）。例えば現像プロセスのシミュレーションにおいては電界計算を行ない、解析対象粒子としてのトナーに働く電場を得る。また、他の作用力として磁気力や重力なども算出する。
【００６４】
そして、接触力と作用力の総和からなるすべての作用力を算出し、粒子についての運動方程式を立てて、当該粒子についての加速度、速度、変位を求める（ステップＳ４）。
【００６５】
上述したステップＳ２〜Ｓ４の処理を、解析対象とする所定時間に到達するまでの間、所定のタイムステップ毎に繰り返し行なう。
【００６６】
上述したような解析計算を各粒子について順次実行することにより、現実により忠実となるように粒子挙動を再現することができる。
【００６７】
個別要素法によれば、すべての粒子に作用するさまざまな力を基に運動方程式を立てて粒子毎の挙動を解析するので、より現実に近い評価を行なうことができる。しかしながら、取り扱う粒子数が膨大になると計算量が増大するため、すべての粒子の計算を現実的な時間で行なうのは困難であるという問題がある。
【００６８】
そこで、本実施形態では、電子写真プロセスのような大規模な粒子挙動の計算においては、粒子挙動が類似する領域が多く存在するという点に着目して、粒子挙動解析における計算量の削減を図っている。具体的には、解析対象とするすべての領域に対して粒子挙動を計算する代わりに、全領域を粒子挙動が類似する類似領域毎にグループ化して、各々の類似領域では一部の領域のみについて粒子挙動計算を行ない、その結果を類似領域全体に展開すなわちマッピングする。これによって、従来は実用的に困難であった大規模な領域の粒子挙動解析を短時間で計算することができる。
【００６９】
図３には、本実施形態において、粒子挙動計算を行なう仕組みを図解している。
【００７０】
例えば、現像プロセスにおける潜像や、転写プロセスにおける現像粒子が存在する領域など、粒子が運動する領域をメッシュ状に分割して、解析対象とする領域を微細な複数のセルに分ける。
【００７１】
次いで、特定のセル内においてのみ、粒子挙動計算を行なう。そして、一部のセル内の粒子挙動計算で得られた粒子情報を、まわりのセルに伝達して、広い領域の解析結果を近似することができる。これによって、大規模な粒子挙動を、短時間で精度よく解析することが可能となる。
【００７２】
粒子が運動する領域をメッシュ状に分割する際、この領域分割は、例えばデローニ３角形分割や、バブル・メッシュ法などの分割方法を適用することができる。このとき、解析対象領域内において粒子挙動の変化の度合いは一様ではない。そこで、他と比較して粒子挙動の変化が大きくなる部分では分割するメッシュ・サイズを細かくして、計算の対象領域を増やすことによって、解析計算の精度を上げるようにしてもよい。例えば、潜像や粒子像のエッジ部分や、像の線と線が交差する部分、粒子濃度が大きく変化する部分、プロセス方向などにおいてメッシュ・サイズを細かくする。勿論、画像データに基づいて分割サイズや分割方法を変えたり、領域分割を逐次更新したりするようにしてもよい。
【００７３】
また、セル内の粒子挙動計算で得られた粒子情報をまわりのセルに伝達する際に、セル間をオーバーラップさせることによって、エッジ近傍で発生する粒子情報の誤差を低下させることができる。
【００７４】
ここで、電子写真プロセスでは、解析対象領域内には、粒子挙動が類似する領域が多く存在する。例えば、トナーとキャリアを攪拌・移送するプロセスや帯電したトナーを感光体ドラム表面に形成した静電潜像に付着させる現像プロセスなど、電場や磁場などの場、すなわち粒子に加わる作用力がほぼ同じで粒子挙動が類似する領域が多く存在する。そこで、粒子が運動する領域をメッシュ状に分割して得られた無数のセルを、粒子挙動が類似する類似領域毎に仕分けすなわちグループ化し、類似領域毎に粒子挙動解析を行なうセルを決めて解析計算を実行し、得られた粒子情報を同じ類似領域グループ内で伝達して、当該類似領域全体の解析結果として代用する。これによって、より現実に近い粒子挙動解析を、領域全体について解析計算する場合よりも少ない計算量で実現することができる。
【００７５】
図４には、解析対象領域を類似領域毎にグループ化する場合の粒子挙動解析処理の手順をフローチャートの形式で示している。
【００７６】
まず、攪拌及び現像プロセスや転写プロセスといった比較的大規模な解析対象領域を、粒子挙動が類似する類似領域毎にグループ化する（ステップＳ１１）。
【００７７】
次いで、各類似領域から一部の領域すなわち「セル」を切り出し、このセルについてのみ、図２に示したような個別要素法に基づく粒子挙動解析を忠実に行なう（ステップＳ１２）。
【００７８】
そして、セルで得られた粒子挙動解析結果を、同じ類似領域内に伝播して、全領域の計算結果として代用する（ステップＳ１３）。これによって、大規模な粒子挙動を短時間で精度よく解析することが可能となる。
【００７９】
解析対象領域を類似領域にグループ化する方法としては、（１）電場や磁場、流れ場といった粒子に作用する作用力が類似する領域毎にグループ化する方法や、（２）ドット・パターンなど画素を構成する基本構成要素毎にグループ化する方法、（３）画像パターンの後端部で低下するＴＥＤや、先端部が枯渇するＳＴＶといった、同じ画像ディフェクトを発生する部位に着目してグループ化する方法などが挙げられる。
【００８０】
（１）電場や磁場、流れ場といった粒子に作用する作用力が類似する領域毎にグループ化する方法
図２には、現像・転写プロセスにおける解析モデルを示した。この場合、解析対象領域を所定のセルに分割して（但し、シミュレーション計算における「セル」と類似領域グループ化のために分割する「セル」とは必ずしも一致しない）、粒子毎の運動方程式を立てる際に必要となる作用力を求めるために、電界計算を行なう。このとき求められた電場をセル間で比較し、類似するもの（例えば、電場を強度に相当する長さと方向を持つベクトルで表わし、ベクトル間距離が所定値以下となるもの）同士を類似領域としてグループ化することができる。
【００８１】
粒子挙動計算において、電界計算まではすべてのセルについて実行するが、それ以降は類似領域内で特定のセル以外について粒子挙動計算を行なわないので、計算量を著しく削減することができる。
【００８２】
（２）ドット・パターンなど画素を構成する基本構成要素毎にグループ化する方法
電子写真により形成される画像は、基本的に画素を構成するドット・パターンの集合すなわちスクリーン形状で構成される。図５にはスクリーン形状の一例を示している。
【００８３】
そこで、現像プロセスや、転写プロセスにおける現像粒子が存在する領域などにおいて、同じドット・パターン同士を類似領域としてグループ化することができる。類似領域内では、特定のセルについてのみ以降の粒子挙動計算を行なわないので、計算量を著しく削減することができる。
【００８４】
（３）画像パターンの後端部で低下するＴＥＤや、先端部が枯渇するＳＴＶといった、同じ画像ディフェクトを発生する部位に着目してグループ化する方法
電子写真方式で形成される画像で発生しうるディフェクトとして、画像パターンの後端部で低下するＴＥＤや、先端部が枯渇するＳＴＶなどが知られている。このような画像ディフェクトが発生する部位では、上述したようなドット・パターンの組み合わせだけでは、最終画像の特性を十分に表現することができない。
【００８５】
そこで、画像ディフェクトが発生しそうな部位に着目して、同じ画像ディフェクトを発生する部位を類似領域としてグループ化することができる。類似領域内では、特定のセル以外は以降の粒子挙動計算を行なわないので、計算量を著しく削減することができる。
【００８６】
また、画像ディフェクトを発生する部位において、プロセス方向に大きくとったセルに分割するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【００８８】
本明細書では、電子写真プロセスにおける現像剤としてのトナー粒子の挙動を解析する場合を例にとって説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。大規模な粒子挙動場において、粒子挙動が類似する領域が多く存在する場合には、同様に本発明を適用することによって、
【００８９】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。粒子挙動解析を短時間で計算することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】図１は、電子写真プロセスにおけるトナー粒子の挙動を個別要素法により解析計算する粒子挙動解析装置の機能的構成を示した図である。
【図２】図２は、個別要素法に基づくシミュレーション計算の処理手順を示したフローチャートである。
【図３】図３は、粒子挙動計算を行なう仕組みを説明するための図である。
【図４】図４は、解析対象領域を類似領域毎にグループ化する場合の粒子挙動解析処理の手順を示したフローチャートである。
【図５】図５は、スクリーン形状の一例を示した図である。
【図６】図６は、電子写真プロセスの機能的構成を模式的に示した図である。
【図７】図７は、現像プロセスまわりの装置構成例を示した図である。
【図８】図８は、オーガ内でトナーとキャリアを混合・攪拌しながら移送する様子を示した図である。
【図９】図９は、スリーブ３８Ａの表面において磁力線の方向に配列され、穂立ちして磁気ブラシを形成する様子を示した図である。
【符号の説明】
【００９１】
１３…感光体
１４…中間転写ベルト
３２…転写ローラ
３４…ブラシローラ
３６…帯電ローラ
３７…筐体
３８…現像ローラ
３９…スクリュー・フィーダ
４０…ＬＥＤアレイヘッド
４１…トリミングブレード
１００…粒子挙動解析装置
１０１…入力部
１０２…データ処理部
１０３…出力部
１０４…入力データ処理部
１０５…数値演算部
１０６…演算結果処理部
【図１】
2007033134.tif 000003
【図２】
2007033134.tif 000004
【図３】
2007033134.tif 000005
【図４】
2007033134.tif 000006
【図５】
2007033134.tif 000007
【図６】
2007033134.tif 000008
【図７】
2007033134.tif 000009
【図８】
2007033134.tif 000010
【図９】
2007033134.tif 000011